Необычный запах аморфофаллуса титанического (Amorphophallus titanum), который обычно называют трупным цветком, потому что его запах напоминает гниющую плоть, привлекает толпы любопытных посетителей в теплицы по всему миру во время его редкого цветения. Ученых также интригует склонность трупного цветка к нагреванию непосредственно перед цветением посредством процесса, известного как термогенез, необычная черта растений, которая не очень хорошо изучена.
Теперь исследование, проведенное под руководством Дартмута, заглядывает под капот цветка-трупа, чтобы раскрыть фундаментальные генетические пути и биологические механизмы, которые управляют выработкой тепла и пахучих химических веществ во время цветения растения.
В своей статье, опубликованной в PNAS Nexus, группа ученых под руководством профессора биологических наук Г. Эрика Шаллера также идентифицирует новый компонент запаха трупного цветка — органическое химическое вещество, называемое путресцином.
Шаллер, молекулярный биолог, изучающий, как гормоны растений регулируют их способность расти и реагировать на изменения окружающей среды, подрабатывает писателем коротких рассказов, особенно ужасов. «Трупный цветок хорошо вписывается в оба эти мира», — говорит он.
Шаллер и его коллеги воспользовались несколькими цветками Морфи, 21-летнего трупного цветка Дартмута, размещенного в оранжерее естественных наук, чтобы собрать образцы тканей для генетического и химического анализа.
Аморфофаллус титанический — это не один цветок, а гроздь мелких цветков, спрятанных в гигантском центральном стебле, называемом початком, который может вырастать до 3,5 метра в высоту и является самой яркой визуальной особенностью растения.
Растение может годами обходиться без цветения — типичный интервал составляет 5–7 лет, — но когда это происходит, оно зацветает за одну ночь. «Цветение редкое и недолгое, поэтому у нас есть лишь небольшое окно для изучения этих явлений», — говорит Шаллер.
Оборчатый лепестковидный слой у основания початка, называемый покрывалом, разворачивается, образуя чашу вокруг центрального стебля, который изнутри темно-красный или бордовый. Початок начинает нагреваться, поднимаясь на целых 20°F выше температуры окружающей среды, после чего вскоре следует высвобождение фирменного запаха растения, полученного из коктейля вонючих соединений на основе серы, которые привлекают мух и жуков-падальщиков, помогающих размножать растение.
Когда в 2016 году цвел Морфи, исследователи собрали девять образцов тканей в течение трех ночей, начиная с пика температуры початка — с губы и основания початка, а также с возвышающегося шипа початка, известного как аппендикс. Позже они добавили два дополнительных образца листьев в свою коллекцию.
Ученые выяснили, как извлечь высококачественную РНК из ткани, что позволило команде провести анализ последовательности РНК и определить роль генов в нагревании растения и возникновении запаха.
«Это помогает нам увидеть, какие гены экспрессируются и какие из них особенно активны, когда аппендикс нагревается и выделяет запах», — говорит Шаллер.
Термогенез, или способность генерировать тепло, распространен у животных, но редок у растений. В клетках животных класс белков, называемых разобщающими белками, прерывает процесс помещения химической энергии в хранилище, высвобождая ее вместо этого в виде тепла, говорит Шаллер.
Анализ РНК показал, что гены, связанные с растительными аналогами этих белков, известными как альтернативные оксидазы, показали более высокую экспрессию в тканях, извлеченных в начале цветения, особенно в аппендиксе. Также в то время были активны гены, вовлеченные в транспорт и метаболизм серы.
Чтобы отследить механизмы, запускаемые этими генами, команда изолировала ткани растения во время последующего цветения и, работая с коллегами из Университета Миссури, использовала метод, называемый масс-спектрометрией, для выявления и измерения уровней различных аминокислот — молекул, из которых состоят белки — в них.
Как и предполагалось на основе анализа РНК, они обнаружили высокие уровни серосодержащей аминокислоты, называемой метионином, предшественника соединений на основе серы, которые, как известно, легко испаряются при нагревании, производя резкие запахи. Уровни метионина быстро падали в тканях, извлеченных через несколько часов.
По словам Шаллера, неожиданностью стало обнаружение повышенного уровня другой аминокислоты в тканях, взятых из покрывала, которая служит предшественником для выработки соединения путресцина — пахучего вещества, обнаруживаемого в трупах животных, когда они начинают разлагаться.
Это исследование впервые раскрыло секреты запаха трупного цветка на молекулярном уровне, определило процессы, с помощью которых титанический арум регулирует температуру, и выявило роли, которые играют различные части цветкового соцветия в создании неприятного запаха, привлекающего опылителей.
По словам Шаллера, Морфи таит в себе еще больше загадок. Сейчас он сосредоточен на изучении факторов, предвещающих цветение, и на том, могут ли образцы, размещенные вместе, синхронизировать цветение, чтобы коллективно повысить уровень запаха и привлечь еще больше опылителей.
